15.4: Lanțul de transport al electronilor

admin

Lanțul de transport al electronilor: ATP pentru viața pe banda rapidă

La sfârșitul ciclului Krebs, energia din legăturile chimice ale glucozei este stocată în diverse molecule purtătoare de energie: patru ATP, dar și două molecule de FADH\(_2\) și zece molecule de NADH. Sarcina principală a ultimei etape a respirației celulare, lanțul de transport al electronilor, este de a transfera energia de la purtătorii de electroni la și mai multe molecule de ATP, „bateriile” care alimentează activitatea în interiorul celulei.

Căile de producere a ATP în etapa 3 a respirației aerobe se aseamănă foarte mult cu lanțurile de transport al electronilor utilizate în fotosinteză. În ambele lanțuri de transport al electronilor, moleculele purtătoare de energie sunt aranjate în succesiune în interiorul unei membrane, astfel încât electronii purtători de energie trec în cascadă de la una la alta, pierzând puțină energie la fiecare pas. Atât în fotosinteză, cât și în respirația aerobă, energia pierdută este valorificată pentru a pompa ioni de hidrogen într-un compartiment, creând un gradient electrochimic sau un gradient chemiosmotic de-a lungul membranei înconjurătoare. Și în ambele procese, energia stocată în gradientul chemiosmotic este utilizată cu ATP-sintetaza pentru a construi ATP.

Pentru respirația aerobă, lanțul de transport al electronilor sau „lanțul respirator” este încorporat în membrana interioară a mitocondriilor (a se vedea figura de mai jos). Moleculele de FADH\(_2\) și NADH produse în glicoliză și în ciclul Krebs, donează electroni de înaltă energie către moleculele purtătoare de energie din interiorul membranei. Pe măsură ce trec de la un purtător la altul, energia pe care o pierd este folosită pentru a pompa ioni de hidrogen în spațiul intermembranar mitocondrial, creând un gradient electrochimic. Ionii de hidrogen curg „în jos” pe gradient – de la compartimentul exterior la cel interior – prin canalul ionic/enzima ATP sintetază, care transferă energia lor în ATP. Rețineți paradoxul că este nevoie de energie pentru a crea și a menține un gradient de concentrație de ioni de hidrogen care sunt apoi utilizați de ATP-sintetază pentru a crea energie stocată (ATP). În termeni generali, este nevoie de energie pentru a produce energie. Cuplarea lanțului de transport al electronilor la sinteza ATP cu un gradient de ioni de hidrogen este chemiosmoza, descrisă pentru prima dată de laureatul Premiului Nobel Peter D. Mitchell. Acest proces, utilizarea energiei pentru a fosforila ADP și a produce ATP este, de asemenea, cunoscut sub numele de fosforilare oxidativă.

Figura \(\PageIndex{1}\): Cea de-a treia etapă a respirației celulare utilizează energia stocată în etapele anterioare în NADH și FADH\(_2\) pentru a produce ATP. Lanțurile de transport al electronilor încorporate în membrana internă mitocondrială captează electronii de mare energie de la moleculele purtătoare și îi folosesc pentru a concentra ionii de hidrogen în spațiul intermembranar. Ionii de hidrogen coboară pe gradientul lor electrochimic înapoi în matrice prin canalele ATP-sintetazei, care captează energia lor pentru a transforma ADP în ATP. Observați că acest proces regenerează NAD\(^+\), furnizând molecula acceptoare de electroni necesară în glicoliză. (CC BY-NC 3.0; Mariana Ruiz Villarreal (LadyofHats) pentru Fundația CK-12).

După ce trec prin lanțul de transport al electronilor, electronii cu energie scăzută și ionii de hidrogen cu energie scăzută se combină cu oxigenul pentru a forma apă. Astfel, rolul oxigenului este de a conduce întregul set de reacții producătoare de ATP din cadrul mitocondriei prin acceptarea de hidrogeni „cheltuiți”. Oxigenul este acceptorul final de electroni, nicio parte a procesului – de la Ciclul Krebs până la lanțul de transport al electronilor – nu poate avea loc fără oxigen.

Lanțul de transport al electronilor poate converti energia produsă de o moleculă de glucoză în valoare de \(FADH_2\) și \(NADH\) + \(\ce{H^+}\) în până la 34 ATP. Când se adaugă cei patru ATP produși în glicoliză și în ciclul Krebs, totalul de 38 ATP se potrivește cu ecuația generală a respirației celulare aerobe:

Respirația aerobă este completă. Dacă oxigenul este disponibil, respirația celulară transferă energia de la o moleculă de glucoză la 38 de molecule de ATP, eliberând dioxid de carbon și apă ca deșeuri. Energia alimentară „livrabilă” a devenit energie care poate fi utilizată pentru munca în interiorul celulei – transportul în interiorul celulei, pomparea ionilor și a moleculelor prin membrane și construirea de molecule organice mari. Puteți vedea cum acest lucru ar putea duce la „viața pe banda rapidă” în comparație cu respirația anaerobă (glicoliza singură)?

.